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Zahnriementrieb mit Trapezverzahnung Die Erfindung bezieht sich auf
Zahnriementriebe mit Trapezverzahnung und einem Zahnriemen aus elastisch verformbaren
Werkstoffen. Hierbei ist es bekannt, in Längsrichtung oder im wesentlichen in Längsrichtung
durchlaufende Festigkeitsträger in den Zahnriemen einzubetten und die Zahnräder
in die Lücken des Zahnriemens entweder ohne Spiel oder mit Spiel in Umfangsrichtung
oder in radialer Richtung an den Zahnköpfen der Riemenzähne eingreifen zu lassen.
Bei einer bekannten Ausführung sind die Riemenzähne in Längsrichtung wesentlich
länger als die Radzähne. Hierbei ist jedoch an den Köpfen der Riemenzähne Spiel
vorhanden, während der Zahnriemen einseitig an den Zahnflanken und radial im Zahngrund
der Riemenzähne zur Anlage kommt. Es ist auch ein Zahnriementrieb mit Triebstockverzahnung
in einer Keilrille der Riemenscheibe bekannt, bei dem der Zahnriemen im Grunde der
Keilrille anliegt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, daß die
Riemenzähne am Zahnkopf in kraftschlüssige Verbindung mit den Umfangsteilen der
Zahnräder zwischen den Radzähnen treten und die Radzähne die Riemenzähne nur an
den Zahnflanken berühren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender
Merkmale gelöst: a) die Riemenzähne sind in Laufrichtung wesentlich länger als die
Radzähne; b) die Riemenzähne sind in der Höhe größer als die Radzähne, so daß die
Riemenzähne am Zahnfuß Spiel haben; c) die Zahnköpfe der Riemenzähne treten in kraftschlüssige
Verbindung mit den zylindrischen Umfangsteilen zwischen den Radzähnen.
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Gegenüber den bekannten Zahnriementrieben bietet die erfindungsgemäße
Ausführung der Verzahung verschiedene Vorteile. In erster Linie ermöglicht sie eine
erwünschte Verkleinerung des Flankenwinkels der Zähne, womit dem unter bestimmten
Betriebsbedingungen häufig auftretenden überspringen des Zahnriemens wirksam begegnet
werden kann. An den bisher allgemein gebräuchlichen Verzahnungen mit trapezförmigem
Querschnitt und nur geringfügigen Längenunterschieden zwischen Radzähnen und Riemenzähnen
blieb selbst unter Berücksichtigung der Gleitreibung stets noch eine in Richtung
des Flankenverlaufes wirkende freie Komponente der Umfangskraft, die die Riemenzähne
aus den Lücken im Zahnrad herauszuheben sucht. Da die Größe dieser Kraftkomponente
in direktem Abhängigkeitsverhältnis zu dem Sinus des Flankenwinkels steht, könnte
sie theoretisch durch Verkleinern des Flankenwinkels auf einen praktisch unschädlichen
Wert zurückgeführt werden. Diesem Verfahren sind jedoch durch die geometrischen
Verhältnisse an den Ein- und Auslaufstellen Grenzen gesetzt. Sobald bei einer gegebenen
Zahnhöhe der Flankenwinkel einen bestimmten optimalen Mindestwert unterschreitet,
kommt es an diesen Stellen zu Gleitbewegungen der Riemenzähne und der zugeordneten
Radzähne aufeinander, und die damit verbundene Reibung führt zu beschleunigtem Verschleiß.
Andererseits läßt sich aber auch die Zahnhöhe nicht beliebig verringern, ohne zu
unzulässig hohen Flächenpressungen an den Zahnflanken zu gelangen.
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Die Erfindung umgeht die aufgezeigten Schwierigkeiten, wobei sich
neben der angestrebten Verkleinerung des Zahnflankenwinkels als weiterer Vorteil
eine festigkeitsmäßig günstigere Ausnutzung der unterschiedlichen Werkstoffe für
Zahnriemen und Zahnräder ergibt. In der Regel werden die Zahnriemen mit metallischen
Zahnrädern zusammen eingesetzt, so daß mit den üblichen Querschnittsformen die Zahnriemen
hinsichtlich ihrer Schubfestigkeit und Biegesteifigkeit wesentlich hinter den hochfesten
Radzähnen zurückstehen. Die erfindungsgemäße Vergrößerung der Riemenzähne auf Kosten
der Radzähne schafft eine weitgehende Angleichung der unterschiedlichen Festigkeitswerte,
und in Ausnutzung dieser Erkenntnis wird zur optimalen Abstimmung der wesentlichen
Kenngrößen des Zahnriementriebes aufeinander -'nach einem besonderen Merkmal der
Erfindung vorgeschlagen, die Zahnfußlängen der Riemenzähne und der Radzähne umgekehrt
proportional den Schubfestigkeitswerten der verwendeten Werkstoffe zu dimensionieren.
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Für das Zustandekommen der geschilderten Vorteile ist die erfindungsgemäße
Abstimmung der Zahnhöhen
aufeinander von wesentlicher Bedeutung.
Die Erfindung verläßt damit das bisher übliche Konstruktionsprinzip, den Zahnriemen
in seinen Lücken auf den Köpfen der Radzähne abzustützen, und sie verlegt statt
dessen die Stützfläche in den Lückengrund zwischen den Radzähnen. Es entsteht dadurch
praktisch ein Flachriemen mit verstärktem Polster und in größeren Zwischenräumen
vorgesehenen Quernuten, der treibend oder angetrieben mit flachen Riemenscheiben
zusammenarbeitet, wobei aua Umfang der Scheiben vorgesehene axiale Stege den synchronen
Lauf gewährleisten. Infolge der vergrößerten Kopffläche der Riemenzähne kann ein
Teil der Leistung durch reinen Reibungsschluß übertragen werden, so daß die Flächenpressung
an den Zahnflanken außerordentlich niedrig gehalten wird. Dies wirkt sich dahin
aus, daß ein überlasteter Zahn in der Querschnittsebene der größten Schubspannung
abschert, bevor die Oberfläche der belasteten Flanke zerstört Oder nur beschädigt
wird. Die Erfindung schafft damit eine weitere Voraussetzung dafür, die Zahnhöhe
noch unter die bisher für zulässig gehaltenen Werte zu vermindern.
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Vorteilhaft werden die Riemenzähne in Laufrichtung mit einer nach
innen konkaven Krümmung ausgebildet, um die auf die zugehörigen Räder auflaufenden
Zähne von vornherein an die Oberflächenkrümmung anzupassen und störende Faltenbildungen
zu vermeiden. Neben dieser mehr auf die Oberfläche der im Eingriff befindlichen
Riemenzähne beschränkten Wirkung ergibt sich daraus noch als besonderer Vorteil
ein gleichsam welliger Verlauf des ziehenden Riementrums, der diesem eine gewisse
Elastizität verleiht und mit unempfindlich gegen stoßartig auftretende Belastungsänderungen
oder Kraftrichtungswechsel macht: Da sich eine solche Formgebung mit Zahnteilungen
üblicher Größenordnung nicht verwirklichen fäßt, gewinnt sie ihre volle Bedeutung
erst mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Verzahnung. Die gekrümmte Formgebung
ist ohne Schwierigkeiten bei Anwendung der üblichen Herstellungsverfahren möglich,
da hierbei die Zahnriemen in endloser Form auf Anfertigungsdornen mit zylindrischer
Mantelfläche aufgebaut, gegossen oder anderweitig zusammengesetzt werden und nach
der Verfestigung des elastischen Werkstoffes die Oberflächenkrümmung des Anfertigungsdornes
als innere Begrenzungsfläche der Zähne aufweisen. Die mit der Abstützung der Riemenzähne
in den Zahnlücken des Rades notwendige Anpassung an die gekrümmte Radumfangs- ;
Fläche fuhrt zu einem klenunerartigen Umfassen der Radzähne, da mit dem Auflaufen
des Riemens auf das zugehörige Rad der Flankenwinkel zwischen be-
nachbarten
Riemenzähnen spitzer wird und die Lücken: zwischen den Riemenzähnen sich gegenüber
; den umschIossetmn Radzähnen zu verkleinern suchen. Eine derartige rdibschlüssige
Umklammerung wirkt dem gefürchteten Aufklettern des Riemens auf die Radzähne und
dem Überspringen während des Umlaufes entgegen. Auf der anderen Seite ergibt sich
aus der Umkehrung dieser Verhältnisse beim Ablaufen des Riemens ein reibangsfreies
Abheben der Riemenzähne von dem Rad.
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Durchlaufende Festigkeitsträger, die beispielsweise de Form hochfester
Stahldrehteoder verseilter Kabel haben und in schraubengangartigen Windungen über
die ganze Pwncnbreite gewükelt sein können, sind zweckmäßig im Berdch der Zahnfüße
angeardnet, vorzugsweise so, daß sie zwischen benachbarten Riemenzähnen am Grund
der Zahnlücke außerhalb des Eingriffsbereiches der Radzähne verlaufen. In dieser
Anordnung sind sie vor schädlichen Knickbeanspruchungen geschützt, und es wird gleichzeitig
das Auftreten des sogenannten Polygoneffektes mit ungleichmäßigen Beschleunigungen
innerhalb ein-und auslaufender sehnenförmiger Teilstücke des Zugstranges vermieden.
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Die im Vergleich zu bekannten Verzahnungen einfacheren Zahnformen
des erfindungsgemäßen Riementriebes ergeben schließlich als mittelbaren Vorteil
Vereinfachungen und damit Kosteneinsparungen beim Bau der Herstellungsvorrichtungen,
Gießformen od. dgl. Dies wirkt sich in verstärktem Maße auch für die Anfertigung
unterschiedlicher Riemengrößen aus.
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Die Erfindung ist an Hand der schematischen Darstellung zweier Ausführungsbeispiele
in der Zeichnung verdeutlicht. In der Zeichnung ist F i g. 1 das allgemeine Anordnungsschema
eines geschlossenen Zahnriementriebes als erstes Aus-Führungsbeispiel, F i g. 2
eine Einzelheit aus F i g. 1 in vergrößertem Maßstab und F i g. 3 ein Teilstück
eines Zahnriernentriebes als zweites Ausführungsbeispiel.
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Der in F i g.1. gezeichnete Zahnriementrieb setzt sich. aus zwei gleichartig
aufgebauten Zahnrädern 1, 2 und einem diese umsehlingenden endlosen Zahnriemen 3
zusammen. Das Zahnrad 3. als treibendes Rad dreht sich in Richtung des Pfeiles A
und bewirkt über den Zahnriemen 3 als biegsames Zugmittel in an sich bekannter Weise
eine gleichsinnige Drehbewegung des angetriebenen Zahnrades 2, wobei die Verzahnung
eitre schiupffreie Kraftübertragung unter Vermeidung von Winkelverdrehungen der-
beiden Zahnräder 1., 2 zueinander gewährleistet.
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Der Zahnriemen 3 ist aus elastisch verformbaren Werkstoffen, wie beispielsweise
Gummi oder gummiähnlichen Kunststoffen oder auch aus gießfähigen Kunststoffen, Polyurethanen
od, dgl" hergestellt und mit durchlaufenden. eingebetteten Festigkeitsträgern 4
in Form dünner, in gewindegangartiger Anordnung nebeneinander aufgespulter Stahldrahtkabel
versehen. Er weist einen etwa flachrechteckigen Querschnitt auf und besteht aus
einem äußeren durchgehenden Teil 9 und den seinen Innenmantel bildenden Zähnen 5.
Die Festigkeitsträger 4, die noch .dem durchgehenden Teil 9 zuzuordnen sind, bilden
die Fußlinie der Zähne 5 und verlaufen zwischen benachbarten Zähnen am Grund der
Zahnlücken 6. Die Zahnlücken haben die Foren spitzwinkliger Dreiecke mit abgerundeter
Spitze und sind an ihrem Fußende wesentlich schmaler als die auf der gleichen Linie
liegenden Köpfe der Riemenzähne S, in Laufrichtung des Riemens gesehen.
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Der Riemeuverzahnung entsprechend sind die Zähne 7 der Zahnräder 1,
2 in Umfangsrichtung gegenüber den Zahadii8 wesentlich verkürzt. Die Radzähne sind
ebenfaRs ixet ,Querschnitt etwa dreieckförmig, woben. ihre Höhe jedoch. niedriger
als die Tiefe der Lücken 6 im Zahemen bessere ist. Da sie mit einem gerdagen Flankenspiel
in die Riemenlücken einfassen, bleiben .die Festigkeitsträger 4 außerhalb ihres
Einwifßberei4es, und die Riemenzähne 8 können sich er ihre ganze Länge ungehindert
auf dem zylindrischen Radumfang abstützen, Die
an die Zahnköpfe
angeformte konkave Anfangskrümmung 10 begünstigt ein sattes Anliegen auf dem Grund
der Radlücken 8 und läßt den angestrebten Reibungsschluß voll zur Wirkung kommen.
Das Ein-und Auslaufen des Zahnriemens wird durch klammerartiges öffnen und Schließen
der Riemenlücken 6 in bezug auf die zugeordneten Radzähne 7 erleichtert. Es kann
dabei in Extremfällen entgegen der gezeichneten Darstellung auf die Einhaltung einer
sogenannten Lückenluft, d. h. eines Spieles der Radzähne in Umfangsrichtung innerhalb
der Zahnlücken im Riemen, ganz verzichtet werden.
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Die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die abweichende Querschnittsform der
Radzähne 7 bzw. der Riemenlücken 6. Der weite Abrundungs- und Übergangsbogen zwischen
den Flanken führt in diesem Falle zu außerordentlich kleinen Flankenwinkeln in der
Größenordnung von nur wenigen Graden. Die gezeichneten Eingriffsverhältnisse gehen
davon aus, daß der antreibende Zahnriemen eine Zugkraft in Richtung des Pfeiles
B auf das getriebene Zahnrad 11 ausübt.